Optimale Start/Stop Strategie für einen Hybridmotor

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August Falk
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1 Optimale Start/Stop Strategie für einen Hybridmotor Adnan Husaković Johannes Kepler University Linz Linz,

2 Gliederung Aufgabenstellung und Einleitung Vorstellung der Start- Mechanismen Normalstart Hybridstart Vergleich der Startvorgänge am Prüfstand Energetischer Vergleich Abgasanalyse Analyse der Startvorgänge anhand einer Simulation Ergebnisse Ausblick 2

3 Aufgabenstellung und Einleitung Ziel Start/Stopp: Minimierung des Kraftstoffverbrauchs in Leerlaufphasen unter Berücksichtigung der höheren Emissionen während des Startvorgangs Aufgabenstellung Analyse des Normalstartes Analyse des Hybridstarts Vergleich der Emissionen und des Spritverbrauchs bei Normalstart und Hybridstart Simulationsstudie in Carmaker um die verschiedenen Strategien hinsichtlich Spritverbrauch zu vergleichen 3

4 Prüfstandskonfiguration 4 Zylinder 2 Liter Dieselverbrennungsmotor Common Rail Einspritzsystem, Turbolader ECU bygepasst ECU Daten Acquisition mit dspace Keine Glühstifte sondern Zylinderdruckmesssonden 4

5 Prüfstand wichtige Messgrößen Notwendige Messgrößen: Dynodrehzahl Motordrehzahl Wellenmoment Gaspedalstellung 5

6 Verbrauchsmessung und Abgasmessgeräte Kraftstoffverbrauchsmessung über die Kraftstoffwaage von AVL Analysierte Abgase und deren Messgeräte Kohlenmonoxid CO & CO 2 (Cambustion NDIR500) Stickstoffoxide NO x (Cambustion fnox 400) Kohlenwasserstoff HC Abgastrübung (Ruß) (TESTA 123 I_SS) (AVL Opacimeter) 6

7 Normalstart Elektrischer Start am Verbrennungsmotorprüfstand über die elektrische Bremse Start des Verbrennungs-motors nach 100 ms Enddrehzahl ca. 870 U/min A B C A Initialisierungsvorgang vom Starter (80 bis 100 ms) B 1.Einspritzung (600 ms) C Übergangsbereich (150 ms) 7

8 Hybridstart Vorteil: nicht nur Verbrennungsmotor steht zu Verfügung sondern auch elektrischen Energie Rein elektrisches Hochschleppen auf besseren Wirkungsgradpunkt möglich Schlagartige Zündung des Verbrennungsmotors in diesem Punkt ( Nm, Wirkungsgrad bestimmt über Kennfeldmessung) Enddrehzahl und Drehmoment im Teillastbereich anstelle Leerlauf 8

9 Wirkungsgradkennfeld 9

10 Energetische Bilanz der Startvorgänge (1/4) Energiebilanz des Verbrennungsmotors und el. Komponenten Ziel: energetische Analyse des Hybrid und des Verbrennungsmotorstartes, wobei jeweils das gleiche Szenario verwendet wird: Nm +0.5 Sekunden Char. Maß zur Beurteilung der Energieeffizienz 10

11 Energetische Bilanz der Startvorgänge (2/4) Zugeführte Energiequellen: Kraftstoffenergie: m D 4 nmotor m = t f Ds 6 Efuel = cdiesel mm D dt t 0 Parameter aus Verbrennungsmotor El. Energie: El. Energie von der DASM (Prüfstandsbremse) 11

12 Energetische Bilanz der Startvorgänge (3/4) Abgeführte Energiequelle: Mech. Energie: Mech. Energie ( Wellenenergie ) 12

13 Energetische Bilanz der Startvorgänge (4/4) 13

14 Abgasanalyse der Startvorgänge (1/5) HC Emissionen: 5000 HC-Wert in pp pm Erhöhter HC-Wert-beim Hybridstart>schlagartige Zündung Ausgleich der Emissionen nach bestimmten Zeit 0 Normalstart Hybridstart Zeit in s 14

15 Abgasanalyse der Startvorgänge (2/5) 1500 CO Emissionen: 1000 Erhöhter CO-Wert-beim Normalstart+B.>mehr Kraftstoff CO-Wert in pp pm 500 Normalstart Hybridstart Zeit in s 15

16 Abgasanalyse der Startvorgänge (3/5) CO2 Emissionen: 2.5 x Erhöhter CO2-Wert-beim 104 Normalstart+B.>mehr Kraftstoff 2 CO2-Wert in ppm Normalstart Hybridstart Zeit in s 16

17 Abgasanalyse der Startvorgänge (4/5) NOx Emissionen: NOx-Wert in ppm Erhöhter NOx -Wert-beim Normalstart+B.>mehr Kraftstoff und höhere Betr.temp. vom Motor Ausgleich der Emissionen nach bestimmten Zeit 0 Normalstart Hybridstart Zeit in s 17

18 Abgasanalyse der Startvorgänge (5/5) Abgastrübung (Ruß): Ruß-Wert in % Erhöhter Ruß Werte - beim Normalstart+B.>mehr Kraftstoff verwendet Ausgleich der Emissionen nach bestimmten Zeit 4 2 Normalstart Hybridstart Zeit in s 18

19 Simulationsstudie Carmaker Ziel: Analyse des Einsparungspotential mit einem Hybrid im Ortsgebiet bzw. Stop-and Go Verkehr Vorgaben Geschwindigkeitsprofil mit Stopsequenzen Ebene Fahrt (Steigung<=3%) Komfortfunktionen wie Radio, Klimakompressor, Heizung haben keinen Einfluss auf Batteriezustand Plug In-Hybrid Elektromotor mit 30 kw; Verbrennungsmotor mit 120 kw Leistung Einschalten des Verbrennungmotors: Nach Erreichen des besseren wirkungsgradtechn. Betriebspunktes Abschalten des Verbrennungsmotors: nmotor<=800 rpm & Fahrerwunsch zum Beschleunigen nicht da 19

20 Start/Stop mit Hybrid in Carmaker Simulink-Modell: Feedback&Fe edforward Regelung (Drehmoment enregelung) Verbrennungs motor g&modelogic Batteriemodell Elektromotor mech. Bilanz (Drallsatz) 20

21 Annahmen durchfahrener Fahrzyklus Durchfahrener Fahrzyklus: 21

22 Verbrauchsergebnisse Ergebnisse Verbrauch (mit AVL inmotion und ipg Carmaker ): Verbrauc ch in l/100km Stadtzyklus konv.start Stop Perm.betrieb Hybridstartstopp Stadtzyklus 22

23 Ergebnisse und Ausblick Vorteile Hybridstart : Bis 27% Kraftstoffeinsparpotential Geringerer Kohlendioxid und Monoxidausstoß NOx- ebenfalls weniger Theoretisches Down-sizing des Verbrennungsmotors möglich (3- Zylinder) Nachteile: Gewichtszunahme des Fahrzeugs um bis zu 200 kg HC-Emissionen um einiges größer wegen schlagartiger Zündung Erhöhte Anforderungen an Batterie Ausblick: Schwingungs-und Eigenwertanalyse der Start/Stopp Automatik eines Hybridmotors (+Haltbarkeit der Bauteile) MPC-Regelung einer Start-Stoppautomatik 23

24 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! 24

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